JP7074144B2 - Rotating electric machine control device - Google Patents
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Description
本発明は、オープン巻線を有する回転電機を、2つのインバータを介して駆動制御する回転電機制御装置に関する。 The present invention relates to a rotary electric machine control device that drives and controls a rotary electric machine having an open winding via two inverters.
V. Oleschukらによる2007年発表のIEEEの論文「Dual Inverter-Fed Traction Drive with DC Sources Power Balancing Based on Synchronized PWM」には、3相交流型の回転電機が備える3相オープン巻線の両端にそれぞれ1つずつ備えられたインバータをスイッチング制御して回転電機を駆動制御する制御装置が開示されている。一方、良く知られた形態として、例えば3相の巻線のそれぞれの一端側が接続されたY型巻線の他端側に1つのインバータをスイッチング制御して回転電機を駆動制御するものもある。オープン巻線と2つのインバータを用いたシステムでは、Y型巻線と1つのインバータを用いたシステムに比べて、直流の電圧が同じであれば、巻線の交流電圧の線間電圧を高くすることができ、回転電機をより高い出力で動作させることができる。 In the 2007 IEEE paper "Dual Inverter-Fed Traction Drive with DC Sources Power Balancing Based on Synchronized PWM" by V. Oleschuk et al. A control device for driving and controlling a rotary electric machine by switching and controlling inverters provided one by one is disclosed. On the other hand, as a well-known form, for example, there is a method in which one inverter is switched and controlled on the other end side of a Y-shaped winding to which one end side of each of the three-phase windings is connected to drive and control a rotary electric machine. In a system using an open winding and two inverters, if the DC voltage is the same, the line voltage of the AC voltage of the winding is higher than in a system using a Y-shaped winding and one inverter. It is possible to operate the rotary electric machine with a higher output.
V. Oleschukらの論文の前書き(Introduction)には、2つのインバータをスイッチング制御するためのパルスを生成するキャリア信号の位相をそれぞれ異ならせることによって、巻線に流れる電流のリップルの大きさを低減できることが記載されている。V. Oleschukらは、さらに、キャリア信号を用いた非同期方式ではなく、同期方式でパルスを生成することで、中/高出力のアプリケーションにも、より適した制御が可能となることに言及している。但し、非同期方式、同期方式の何れにおいても、2つのインバータは、例えば、下記表1に示すように、同じ制御方式でスイッチング制御されている。 In the introduction of the paper by V. Oleschuk et al., The magnitude of the ripple of the current flowing through the winding is reduced by making the phase of the carrier signal that generates the pulse for switching control of the two inverters different from each other. It is stated that it can be done. V. Oleschuk et al. Further note that generating pulses synchronously rather than asynchronously with carrier signals allows better control for medium / high power applications. There is. However, in both the asynchronous method and the synchronous method, the two inverters are switched and controlled by the same control method, for example, as shown in Table 1 below.
尚、表1において、“CPWM”は連続パルス幅変調(Continuous Pulse Width Modulation)、“DPWM”は不連続パルス幅変調(Discontinuous PWM)、“1-Pulse”は矩形波変調(1-Pulse Modulation)、“asynchronous”は回転電機の回転に非同期である非同期変調、“synchronous”は回転電機の回転に同期する同期変調を示す。例えば、連続パルス幅変調では、出力指令としての交流波形(例えば交流電圧波形)の振幅と三角波(鋸波を含む)状のキャリアの波形の振幅との大小関係に基づいてパルスが生成される(キャリアとの比較によらずにデジタル演算により直接PWM波形を生成する場合も含む。)。キャリアは例えばマイクロコンピュータの演算周期や電子回路の動作周期などの制御周期に応じて定まり、回転電機の回転速度や回転角度(電気角)には拘束されない(同期しない)。
このような変調方式を非同期変調と称する。一方、矩形波変調では、回転電機の電気角1周期に付き1つのパルスが出力され、そのパルスは回転電機の回転速度や回転角度(電気角)に同期する。このため、矩形波変調は同期変調方式である。不連続パルス幅変調は、非同期方式、同期方式の何れでも実現することができる。In Table 1, "CPWM" is continuous pulse width modulation, "DPWM" is discontinuous PWM, and "1-Pulse" is rectangular wave modulation (1-Pulse Modulation). , "Asynchronous" indicates asynchronous modulation that is asynchronous to the rotation of the rotary electric machine, and "synchronous" indicates synchronous modulation that is synchronized with the rotation of the rotary electric machine. For example, in continuous pulse width modulation, a pulse is generated based on the magnitude relationship between the amplitude of an AC waveform (for example, an AC voltage waveform) as an output command and the amplitude of the waveform of a triangular carrier (including a saw wave). Including the case where the PWM waveform is directly generated by digital calculation without comparison with the carrier). The carrier is determined according to a control cycle such as a calculation cycle of a microcomputer or an operation cycle of an electronic circuit, and is not constrained (not synchronized) with the rotation speed or rotation angle (electric angle) of a rotating electric machine.
Such a modulation method is called asynchronous modulation. On the other hand, in the square wave modulation, one pulse is output for each cycle of the electric angle of the rotary electric machine, and the pulse is synchronized with the rotation speed and the rotation angle (electric angle) of the rotary electric machine. Therefore, the square wave modulation is a synchronous modulation method. Discontinuous pulse width modulation can be realized by either an asynchronous method or a synchronous method.
しかし、インバータのスイッチング制御の方式は、これらの変調方式に限定されるものではない。スイッチング制御の方式は、回転電機に要求されるトルクや、回転速度、直流側の電圧など、種々の要素によって、より高いシステム効率での動作が可能なように、決定されることが好ましい。従って、オープン巻線の両端にそれぞれ備えられた2つのインバータをより高いシステム効率で適切に制御する上では、まだ改善の余地がある。 However, the inverter switching control method is not limited to these modulation methods. The switching control method is preferably determined by various factors such as the torque required for the rotary electric machine, the rotation speed, and the voltage on the DC side so as to enable operation with higher system efficiency. Therefore, there is still room for improvement in properly controlling the two inverters provided at both ends of the open winding with higher system efficiency.
上記背景に鑑みて、オープン巻線の両端にそれぞれ備えられた2つのインバータを適切に制御する技術の提供が望まれる。 In view of the above background, it is desired to provide a technique for appropriately controlling two inverters provided at both ends of the open winding.
上記に鑑みた、互いに独立した複数相のオープン巻線を有する回転電機を、第1インバータ及び第2インバータを介して駆動制御する回転電機制御装置は、
前記第1インバータが、前記複数相のオープン巻線の一端側に接続されて直流と複数相の交流との間で電力を変換し、
前記第2インバータが、前記複数相のオープン巻線の他端側に接続されて直流と複数相の交流との間で電力を変換し、
前記第1インバータ及び前記第2インバータは、それぞれ交流1相分のアームが上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子との直列回路により構成され、
前記第1インバータ及び前記第2インバータの制御方式として、電気角の一周期においてパターンの異なる複数のパルスが出力されるパルス幅変調制御と、複数相全ての前記アームの前記上段側スイッチング素子をオン状態とする又は複数相全ての前記アームの前記下段側スイッチング素子をオン状態とするアクティブショートサーキット制御と、電気角の一周期において1つのパルスが出力される矩形波制御との内、少なくとも2つの制御方式を有すると共に、
前記第1インバータ及び前記第2インバータを、それぞれ独立した前記制御方式で制御可能であり、
複数の前記制御方式の内の1つの前記制御方式を第1制御方式とし、前記第1制御方式とは異なる1つの前記制御方式を第2制御方式として、
前記第1インバータを前記第1制御方式で制御し、前記第2インバータを前記第2制御方式で制御する制御モードを有する回転電機制御装置。In view of the above, the rotary electric machine control device for driving and controlling a rotary electric machine having a plurality of phases of open windings independent of each other via a first inverter and a second inverter is available.
The first inverter is connected to one end side of the multi-phase open winding to convert power between direct current and multi-phase alternating current.
The second inverter is connected to the other end of the multi-phase open winding to convert power between direct current and multi-phase alternating current.
In the first inverter and the second inverter, the arm for one AC phase is composed of a series circuit of an upper switching element and a lower switching element, respectively.
As the control method of the first inverter and the second inverter, pulse width modulation control in which a plurality of pulses having different patterns are output in one cycle of the electric angle and the upper switching element of the arm of all the plurality of phases are turned on. At least two of the active short circuit control in which the lower switching element of the arm in the state or the multiple phases is turned on and the square wave control in which one pulse is output in one cycle of the electric angle. With a control method
The first inverter and the second inverter can be controlled by the independent control methods.
One of the plurality of control methods is defined as the first control method, and one control method different from the first control method is used as the second control method.
A rotary electric machine control device having a control mode in which the first inverter is controlled by the first control method and the second inverter is controlled by the second control method.
インバータを制御する制御方式には、回転電機の回転速度やトルクになどの動作条件に応じた種々の方式が知られている。本構成のように、2つのインバータを備えている場合には、直流側の電圧よりも大きい振幅の交流電圧を生成することができる。但し、回転電機制御装置は、常に最も交流の振幅が大きくなるように2つのインバータを制御する必要はなく、必要に応じた振幅が得られるように、2つのインバータを制御すればよい。第1インバータ及び第2インバータを、それぞれ独立した制御方式で制御することで、回転電機の動作条件に応じて、柔軟に2つのインバータを制御することができる。さらに、第1インバータと第2インバータとを異なる制御方式で制御する制御モードを有することによって、制御の柔軟性を高め、回転電機の動作条件に応じて高い効率で回転電機を駆動制御することができる。即ち、本構成によれば、オープン巻線の両端にそれぞれ備えられた2つのインバータを適切に制御することができる。 As a control method for controlling the inverter, various methods according to operating conditions such as the rotation speed and torque of the rotary electric machine are known. When two inverters are provided as in this configuration, it is possible to generate an AC voltage having an amplitude larger than the voltage on the DC side. However, the rotary electric machine control device does not always need to control the two inverters so that the amplitude of the alternating current becomes the largest, but may control the two inverters so that the required amplitude can be obtained. By controlling the first inverter and the second inverter by independent control methods, it is possible to flexibly control the two inverters according to the operating conditions of the rotary electric machine. Furthermore, by having a control mode in which the first inverter and the second inverter are controlled by different control methods, it is possible to increase the flexibility of control and drive and control the rotary electric machine with high efficiency according to the operating conditions of the rotary electric machine. can. That is, according to this configuration, it is possible to appropriately control the two inverters provided at both ends of the open winding.
回転電機制御装置のさらなる特徴と利点は、図面を参照して説明する実施形態についての以下の記載から明確となる。 Further features and advantages of the rotary electric machine control device will be clarified from the following description of the embodiments described with reference to the drawings.
以下、互いに独立した複数相のオープン巻線を有する回転電機を、2つのインバータを介して駆動制御する回転電機制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、回転電機制御装置1(MG-CTRL)を含む回転電機駆動システムの模式的ブロック図である。回転電機80は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両において車輪の駆動力源となるものである。回転電機80は、互いに独立した複数相(本実施形態では3相)のステータコイル8(オープン巻線)を有するオープン巻線型の回転電機である。ステータコイル8の両端には、それぞれ独立して制御されて直流と複数相(ここでは3相)の交流との間で電力を変換するインバータ10が1つずつ接続されている。つまり、ステータコイル8の一端側には第1インバータ11(INV1)が接続され、ステータコイル8の他端側には第2インバータ12(INV2)が接続されている。以下、第1インバータ11と第2インバータ12とを区別する必要がない場合には単にインバータ10と称して説明する。
Hereinafter, an embodiment of a rotary electric machine control device for driving and controlling a rotary electric machine having a plurality of phases of open windings independent of each other via two inverters will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic block diagram of a rotary electric machine drive system including a rotary electric machine control device 1 (MG-CTRL). The rotary
インバータ10は、複数のスイッチング素子3を有して構成される。スイッチング素子3には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が用いられる。図1には、スイッチング素子3としてIGBTが用いられる形態を例示している。第1インバータ11と第2インバータ12とは、回路の接続形態は同一であるが、同じ種類のスイッチング素子3を用いて構成されていてもよいし、異なる種類のスイッチング素子3を用いて構成されていてもよい。詳細は後述するが、例えば、第1インバータ11を構成する第1スイッチング素子31が、Si-IGBTやSi-MOSFETであり、第2インバータ12を構成する第2スイッチング素子32が、SiC-MOSFET(Silicon Carbide - Metal Oxide Semiconductor FET)やSiC-SIT(SiC - Static Induction Transistor)、GaN-MOSFET(Gallium Nitride - MOSFET)など、Si-IGBTやSi-MOSFETに比べてオフ状態とオン状態との間での遷移時のスイッチング損失が相対的に小さいスイッチング素子であると好適である。
The
2つのインバータ10は、それぞれ交流1相分のアーム3Aが上段側スイッチング素子3Hと下段側スイッチング素子3Lとの直列回路により構成されている。各スイッチング素子3には、負極FGから正極Pへ向かう方向(下段側から上段側へ向かう方向)を順方向として、並列にフリーホイールダイオード35が備えられている。また、本実施形態では、2つのインバータ10はそれぞれ独立した直流電源6に接続されている。つまり第1インバータ11の負極FGである第1フローティンググラウンドFG1と第2インバータ12の負極FGである第2フローティンググラウンドFG2とは、互いに独立している。また、インバータ10と直流電源6との間には、それぞれ直流電圧を平滑する直流リンクコンデンサ4(平滑コンデンサ)が備えられている。
In each of the two
具体的には、交流1相分のアーム3Aが第1上段側スイッチング素子31Hと第1下段側スイッチング素子31Lとの直列回路により構成された第1インバータ11は、直流側に第1直流リンクコンデンサ41(第1平滑コンデンサ)が接続されると共に、直流側が第1直流電源61に接続され、交流側が複数相のステータコイル8の一端側に接続されて、直流と複数相の交流との間で電力を変換する。交流1相分のアーム3Aが第2上段側スイッチング素子32Hと第2下段側スイッチング素子32Lとの直列回路により構成された第2インバータ12は、直流側に第2直流リンクコンデンサ42(第2平滑コンデンサ)が接続されると共に、直流側が第2直流電源62に接続され、交流側が複数相のステータコイル8の他端側に接続されて、直流と複数相の交流との間で電力を変換する。
Specifically, the
本実施形態では、第1直流電源61及び第2直流電源62は、電圧などの定格が同等の直流電源であり、第1直流リンクコンデンサ41及び第2直流リンクコンデンサも、容量などの定格が同等のコンデンサである。直流電源6の定格電圧は、48ボルトから400ボルト程度である。直流電源6は、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池(バッテリ)や、電気二重層キャパシタなどにより構成されている。回転電機80は、電動機としても発電機としても機能することができる。回転電機80は、インバータ10を介して直流電源6からの電力を動力に変換する(力行)。或いは、回転電機80は、車輪等から伝達される回転駆動力を電力に変換し、インバータ10を介して直流電源6を充電する(回生)。
In the present embodiment, the first
図1に示すように、インバータ10は、回転電機制御装置1により制御される。回転電機制御装置1は、マイクロコンピュータ等の論理回路を中核部材として構築されている。例えば、回転電機制御装置1は、不図示の車両制御装置等の他の制御装置等から提供される回転電機80の目標トルクに基づいて、ベクトル制御法を用いた電流フィードバック制御を行って、インバータ10を介して回転電機80を制御する。インバータ10の制御方式には、トルク制御、電流制御、電圧制御などの複数の制御方式があるが、本実施形態では電圧制御によって、インバータ10を制御する。
As shown in FIG. 1, the
回転電機80の各相のステータコイル8を流れる実電流は電流センサ15により検出され、回転電機80のロータの各時点での磁極位置は、レゾルバなどの回転センサ13により検出される。回転電機制御装置1は、電流センサ15及び回転センサ13の検出結果を用いて、電流フィードバック制御を実行する。回転電機制御装置1は、電流フィードバック制御のために種々の機能部を有して構成されており、各機能部は、マイクロコンピュータ等のハードウエアとソフトウエア(プログラム)との協働により実現される。
The actual current flowing through the
図1に示すように、インバータ10を構成する各スイッチング素子3の制御端子(IGBTやFETの場合はゲート端子)は、ドライブ回路2(DRV)を介して回転電機制御装置1に接続されており、それぞれ個別にスイッチング制御される。インバータ10などの回転電機80を駆動するための高圧系回路(直流電源6に接続された系統)と、マイクロコンピュータなどを中核とする回転電機制御装置1などの低圧系回路(3.3ボルトから5ボルト程度の動作電圧の系統)とは、動作電圧(回路の電源電圧)が大きく異なる。ドライブ回路2は、各スイッチング素子3に対する駆動信号(スイッチング制御信号)の駆動能力(例えば電圧振幅や出力電流など、後段の回路を動作させる能力)をそれぞれ高めて中継する。第1ドライブ回路21は第1インバータ11にスイッチング制御信号を中継し、第2ドライブ回路22は第2インバータ12にスイッチング制御信号を中継する。
As shown in FIG. 1, the control terminals (gate terminals in the case of IGBTs and FETs) of each switching
回転電機制御装置1は、第1インバータ11及び第2インバータ12を構成するスイッチング素子3のスイッチングパターンの形態(電圧波形制御の形態)として、例えばパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)制御と矩形波制御(1パルス制御(1-Pulse))との2つの制御形態を有している。また、回転電機制御装置1は、ステータの界磁制御の形態として、回転電機80を流れる電流に対して最大トルクを出力する最大トルク制御や、モータ電流に対して最大効率でモータを駆動する最大効率制御などの通常界磁制御、及び、トルクに寄与しない界磁電流(d軸電流Id)を流して界磁磁束を弱める弱め界磁制御や、逆に界磁磁束を強める強め界磁制御などの界磁調整制御を有している。
The rotary electric
また、回転電機制御装置1は、インバータ10や回転電機80に異常が検出されたような場合のフェールセーフ制御として、シャットダウン制御やアクティブショートサーキット制御(ASC)を実行することができる。シャットダウン制御は、インバータ10を構成する全てのスイッチング素子3へのスイッチング制御信号を非アクティブ状態にしてインバータ10をオフ状態にする制御である。アクティブショートサーキット制御は、複数相全てのアーム3Aの上段側スイッチング素子3H或いは複数相全てのアーム3Aの下段側スイッチング素子3Lの何れか一方側をオン状態とし、他方側をオフ状態とする制御である。尚、複数相全てのアーム3Aの上段側スイッチング素子3Hをオン状態とし、複数相全てのアーム3Aの下段側スイッチング素子3Lをオフ状態とする場合を上段側アクティブショートサーキット制御と称する。また、複数相全てのアーム3Aの下段側スイッチング素子3Lをオン状態とし、複数相全てのアーム3Aの上段側スイッチング素子3Hをオフ状態とする場合を下段側アクティブショートサーキット制御と称する。
Further, the rotary electric
ところで、本実施形態のように、ステータコイル8の両端にそれぞれインバータ10が接続されている場合、一方のインバータ10をアクティブショートサーキット制御によって短絡させると、複数相のステータコイル8が当該一方のインバータ10において短絡される。つまり、当該一方のインバータ10が中性点となって、ステータコイル8がY型結線されることになる。制御方式によっては、2つのインバータ10を介してオープン巻線型の回転電機80を制御する形態と、1つのインバータ10(アクティブショートサーキット制御されていない側のインバータ10)を介してY型結線の回転電機80を制御する形態とを実現することができる。このため、本実施形態では、フェールセーフ制御に限らず、通常制御で選択可能な制御形態として、アクティブショートサーキット制御も含める。
By the way, when the
即ち、回転電機制御装置1は、第1インバータ11及び第2インバータ12の制御方式として、電気角の一周期においてパターンの異なる複数のパルスが出力されるパルス幅変調制御と、複数相全てのアーム3Aの上段側スイッチング素子3Hをオン状態とする又は複数相全てのアーム3Aの下段側スイッチング素子3Lをオン状態とするアクティブショートサーキット制御と、電気角の一周期において1つのパルスが出力される矩形波制御とを有する。ここで、これら複数の制御方式の内の1つの制御方式を第1制御方式とし、第1制御方式とは異なる1つの制御方式を第2制御方式とする。例えば、第1制御方式がパルス幅変調制御の場合、第2制御方式はアクティブショートサーキット制御又は矩形波制御である。そして、回転電機制御装置1は、第1インバータ11を第1制御方式で制御し、第2インバータ12を第2制御方式で制御する制御モードを有する。勿論、回転電機制御装置1は、第1インバータ11と第2インバータ12とを同じ制御方式で制御する制御モードも有する。即ち、回転電機制御装置1は、第1インバータ11と第2インバータ12とを同じ制御方式で制御する制御モードと、異なる制御方式で制御する制御モードとを有する。
That is, as the control method of the
尚、上記においては、回転電機制御装置1は、第1インバータ11及び第2インバータ12の制御方式として、パルス幅変調制御と、アクティブショートサーキット制御と、矩形波制御とを有すると説明した。しかし、回転電機制御装置1は、これらの3つの制御方式を有する形態に限らず、少なくともこれらの何れか2つの制御方式を有していてもよい。例えば、回転電機制御装置1は、第1インバータ11及び第2インバータ12の制御方式として、パルス幅変調制御と、アクティブショートサーキット制御とを有していてもよいし、パルス幅変調制御と、矩形波制御とを有していてもよい。
In the above description, it has been described that the rotary electric
詳細は後述するが、本実施形態では、回転電機制御装置1は、下記の表2で示すような4つの制御モード(第1制御モード(mode1)、第2制御モード(mode2)、第3制御モード(mode3)、第4制御モード(mode4))を有している。
Although the details will be described later, in the present embodiment, the rotary electric
これらの内、第1制御モード(mode1)と第3制御モード(mode3)とが、第1インバータ11を第1制御方式で制御し、第2インバータ12を第2制御方式で制御する制御モードに相当する。第1制御モードにおける第1制御方式はパルス幅変調制御(PWM)であり、第2制御方式はアクティブショートサーキット制御(ASC)である。また、第3制御モードにおける第1制御方式は矩形波制御(1-Pulse)であり、第2制御方式はパルス幅変調制御(PWM)である。尚、このような各制御モードでの第1制御方式と第2制御方式との組み合わせは一例であり、これ以外の組み合わせであっても良い。また、制御方式の種類についても、アクティブショートサーキット制御(ASC)、パルス幅変調制御(PWM)、及び矩形波制御(1-Pulse)以外の制御方式が含まれていても良い。
Of these, the first control mode (mode1) and the third control mode (mode3) are set to control modes in which the
第1制御モードでは、第1インバータ11及び第2インバータ12の内の何れか一方のみがパルス幅変調制御により制御され、他方はアクティブショートサーキット制御により制御される。表2に例示した形態では、第1インバータ11のみがパルス幅変調制御により制御され、第2インバータ12はアクティブショートサーキット制御により制御される。第2インバータ12がアクティブショートサーキット制御により制御されると、1つのインバータによって回転電機80が駆動されることと等価となる。
In the first control mode, only one of the
パルス幅変調には、正弦波パルス幅変調(SPWM : Sinusoidal PWM)や空間ベクトルパルス幅変調(SVPWM : Space Vector PWM)などの連続パルス幅変調(CPWM:Continuous PWM)や、不連続パルス幅変調(DPWM:Discontinuous PWM)などの方式がある。不連続パルス幅変調では、例えば3相の交流電力の内の1相に対応するインバータのスイッチング制御信号の信号レベルを順次固定して、他の2相に対応するスイッチング制御信号の信号レベルを変動させる。連続パルス幅変調では、このように何れかの相に対応するスイッチング制御信号が固定されることなく、全ての相が変調される。これらの変調方式は、回転電機80に求められる回転速度やトルクなどの運転条件、そして、その運転条件を満足するために必要な変調率(直流電圧に対する3相交流の相間電圧の実効値の割合)に応じて決定される。
Pulse width modulation includes continuous pulse width modulation (CPWM) such as sinusoidal pulse width modulation (SPWM) and space vector pulse width modulation (SVPWM: Space Vector PWM), and discontinuous pulse width modulation (discontinuous pulse width modulation). There are methods such as DPWM: Discontinuous PWM). In discontinuous pulse width modulation, for example, the signal level of the switching control signal of the inverter corresponding to one phase of the three-phase AC power is fixed in sequence, and the signal level of the switching control signal corresponding to the other two phases is changed. Let me. In continuous pulse width modulation, all phases are modulated without fixing the switching control signal corresponding to any phase in this way. These modulation methods have operating conditions such as rotational speed and torque required for the rotary
第1制御モード及び第2制御モードは、第3制御モード及び第4制御モードに比べて、回転電機80の運転条件が低回転速度・低トルクの場合の制御モードであり、パルス幅変調の方式は、連続パルス幅変調である。第3制御モードは第2制御モードに比べて、回転電機80の運転条件が高回転速度・高トルクの場合の制御モードであり、パルス幅変調の方式は、連続パルス幅変調及び不連続パルス幅変調である。例えば、第3制御モードにおいて相対的に低回転速度・低トルクの場合には、連続パルス幅変調により変調され、相対的に高回転速度・高トルクの場合には、不連続パルス幅変調により変調される。
The first control mode and the second control mode are control modes when the operating conditions of the rotary
パルス幅変調では、出力指令としての交流波形(例えば交流電圧波形)の振幅と三角波(鋸波を含む)状のキャリアの波形の振幅との大小関係に基づいてパルスが生成される(図8等参照。)。キャリアとの比較によらずにデジタル演算により直接PWM波形を生成する場合もあるが、その場合でも、指令値としての交流波形の振幅と仮想的なキャリア波形の振幅とは相関関係を有する。 In pulse width modulation, a pulse is generated based on the magnitude relationship between the amplitude of an AC waveform (for example, an AC voltage waveform) as an output command and the amplitude of a triangular carrier waveform (including a saw wave) (FIG. 8 and the like). reference.). In some cases, the PWM waveform is directly generated by digital calculation without comparison with the carrier, but even in that case, the amplitude of the AC waveform as a command value and the amplitude of the virtual carrier waveform have a correlation.
デジタル演算によるパルス幅変調において、キャリアは例えばマイクロコンピュータの演算周期や電子回路の動作周期など、回転電機制御装置1の制御周期に応じて定まる。つまり、複数相の交流電力が交流の回転電機80の駆動に利用される場合であっても、キャリアは回転電機80の回転速度や回転角度(電気角)には拘束されない周期(同期しない周期)を有している。従って、キャリアも、キャリアに基づいて生成される各パルスも、回転電機80の回転には同期していない。従って、正弦波パルス幅変調、空間ベクトルパルス幅変調などの変調方式は、“非同期変調方式”と称される場合がある。これに対して、回転電機80の回転に同期してパルスが生成される変調方式は“同期変調方式”と称される。例えば矩形波制御(矩形波変調)では、回転電機80の電気角1周期に付き1つのパルスが出力されるため、矩形波変調は同期変調方式である。
In pulse width modulation by digital calculation, the carrier is determined according to the control cycle of the rotary electric
ところで、直流電圧から交流電圧への変換率を示す指標として、直流電圧に対する複数相の交流電圧の線間電圧の実効値の割合を示す変調率がある。一般的に、正弦波パルス幅変調の最大変調率は約0.61(≒0.612)、空間ベクトルパルス幅変調制御の最大変調率は約0.71(≒0.707)である。約0.71を越える変調率を有する変調方式は、通常よりも変調率を高くした変調方式として、“過変調パルス幅変調”と称される。“過変調パルス幅変調”の最大変調率は、約0.78である。この変調率0.78は、直流から交流への電力変換における物理的(数学的)な限界値である。過変調パルス幅変調において、変調率が0.78に達すると、電気角の1周期において1つのパルスが出力される矩形波変調(1パルス変調)となる。矩形波変調では、変調率は物理的な限界値である約0.78に固定されることになる。 By the way, as an index showing the conversion rate from the DC voltage to the AC voltage, there is a modulation factor showing the ratio of the effective value of the line voltage of the multi-phase AC voltage to the DC voltage. Generally, the maximum modulation factor of sinusoidal pulse width modulation is about 0.61 (≈0.612), and the maximum modulation factor of space vector pulse width modulation control is about 0.71 (≈0.707). A modulation method having a modulation factor of more than about 0.71 is called "overmodulation pulse width modulation" as a modulation method having a modulation factor higher than usual. The maximum modulation factor of "overmodulation pulse width modulation" is about 0.78. This modulation factor of 0.78 is a physical (mathematical) limit value in power conversion from direct current to alternating current. In the overmodulation pulse width modulation, when the modulation factor reaches 0.78, it becomes a square wave modulation (1 pulse modulation) in which one pulse is output in one cycle of the electric angle. In square wave modulation, the modulation factor is fixed at the physical limit of about 0.78.
変調率が0.78未満の過変調パルス幅変調は、同期変調方式、非同期変調方式の何れの原理を用いても実現することができる。代表的な変調方式は、不連続パルス幅変調である。不連続パルス幅変調は、同期変調方式、非同期変調方式の何れの原理を用いても実現することができる。例えば、同期変調方式を用いる場合、矩形波変調では、電気角の1周期において1つのパルスが出力されるが、不連続パルス幅変調では、電気角の1周期において複数のパルスが出力される。電気角の1周期に複数のパルスが存在すると、パルスの有効期間がその分減少するため、変調率は低下する。従って、約0.78に固定された変調率に限らず、0.78未満の任意の変調率を同期変調方式によって実現することができる。例えば、電気角の1周期において、9パルスを出力する9パルス変調(9-Pulses)、5パルスを出力する5パルス変調(5-Pulses)などの複数パルス変調(Multi-Pulses)とすることも可能である。 The overmodulation pulse width modulation having a modulation factor of less than 0.78 can be realized by using any principle of the synchronous modulation method and the asynchronous modulation method. A typical modulation method is discontinuous pulse width modulation. Discontinuous pulse width modulation can be realized by using either a synchronous modulation method or an asynchronous modulation method. For example, when the synchronous modulation method is used, in the square wave modulation, one pulse is output in one cycle of the electric angle, but in the discontinuous pulse width modulation, a plurality of pulses are output in one cycle of the electric angle. When a plurality of pulses are present in one cycle of the electric angle, the effective period of the pulses is reduced by that amount, so that the modulation factor is lowered. Therefore, not only the modulation factor fixed to about 0.78 but also any modulation factor less than 0.78 can be realized by the synchronous modulation method. For example, multi-pulse modulation (Multi-Pulses) such as 9-pulse modulation (9-Pulses) that outputs 9 pulses and 5-pulse modulation (5-Pulses) that outputs 5 pulses in one cycle of the electric angle may be used. It is possible.
ところで、1つのインバータ10をベクトル制御する場合、3相のアーム3Aの状態によって、8つの空間ベクトルを定義することができる。具体的には、上段側スイッチング素子3Hのスイッチング制御信号の信号レベルの組み合わせによって8つの空間ベクトルを定義することができる(2^3=8)。尚、下段側スイッチング素子3Lの3相のスイッチング制御信号の信号レベルは、それぞれ上段側スイッチング素子3Hのスイッチング制御信号と相補的な信号レベルとなる。このため、上段側又は下段側の何れか一方のスイッチング制御信号の信号レベルによって空間ベクトルを定義することができる。
By the way, when one
各スイッチング制御信号の信号レベルがハイレベルの場合を“1”、ローレベルの場合を“0”として、U相、V相、W相のスイッチング制御信号の信号レベルを(UVW)で示すと、空間ベクトルは、(000),(001),(010),(011),(100),(101),(110),(111)の8つとなる。尚、8つの空間ベクトルの内、(000),(111)は、相間電圧がゼロとなって回転電機80に電圧が印加されないためにゼロベクトル又はヌルベクトルと称され、dq軸ベクトル座標系において同一の座標を示す。これに対して、他の6つの空間ベクトルは、アクティブベクトルと称され、dq軸ベクトル座標系においてそれぞれ異なる座標を示す。
When the signal level of each switching control signal is high level is "1", when the signal level is low level is "0", and the signal level of the U-phase, V-phase, and W-phase switching control signals is indicated by (UVW). There are eight space vectors (000), (001), (010), (011), (100), (101), (110), and (111). Of the eight space vectors, (000) and (111) are called zero vectors or null vectors because the interphase voltage becomes zero and no voltage is applied to the rotary
図1に示すように、2つのインバータ10をベクトル制御する場合には、上段側又は下段側の何れか一方のスイッチング制御信号の信号レベルによって64個の空間ベクトルを定義することができる(2^6=64)。この内、10個はヌルベクトルである。第1インバータ11のU相(U1相)、V相(V1相)、W相(W1相)の信号レベルと第2インバータ12のU相(U2相)、V相(V2相)、W相(W2相)の信号レベルとを(U1V1W1-U2V2W2)で示すと、(000-000),(001-001),(010-010),(011-011),(100-100),(101-101),(110-110),(111-111),(000-111),(111-000)の10個は、相間電圧がゼロとなるヌルベクトルである。残りの54個は、dq軸ベクトル座標系で原点(ヌルベクトルの座標)から18の異なる座標への有効な大きさを持つアクティブベクトルとなる。As shown in FIG. 1, when two
図2には、ヌルベクトルの座標と、18箇所のアクティブベクトルの座標とをプロットしている。Z0は、dq軸ベクトル座標系におけるヌルベクトルの座標を示している(10個のベクトルが同一座標)。Z1~Z6は、dq軸ベクトル座標系において実質的に1つのインバータ10によって実現されるアクティブベクトルの座標を示している。Z7~Z18は、dq軸ベクトル座標系において2つのインバータ10によって実現されるアクティブベクトルに対応する座標を示している。
In FIG. 2, the coordinates of the null vector and the coordinates of the 18 active vectors are plotted. Z0 indicates the coordinates of the null vector in the dq-axis vector coordinate system (10 vectors have the same coordinates). Z1 to Z6 indicate the coordinates of the active vector realized by substantially one
Z1は(000-011),(100-000),(100-111),(111-011)、Z2は(000-001),(110-000),(110-111),(111-001)、Z3は(000-101),(010-000),(010-111),(111-101)、Z4は(000-100),(011-000),(011-111),(111-100)、Z5は(000-110),(001-000)、(001-111),(111-110)、Z6は(000-010),(101-000),(101-111),(111-010)を含む。これら24個の空間ベクトルは、一方のインバータ10の空間ベクトルがヌルベクトルであり、他方のインバータ10の空間ベクトルがアクティブベクトルである組み合わせである。
Z1 is (000-011), (100-000), (100-111), (111-011), Z2 is (000-001), (110-000), (110-111), (111-001). ), Z3 is (000-101), (010-000), (010-111), (111-101), Z4 is (000-100), (011-000), (011-111), (111). -100), Z5 is (000-110), (001-000), (001-111), (111-110), Z6 is (000-010), (101-000), (101-111), (111-010) is included. These 24 space vectors are a combination in which the space vector of one
尚、Z1:(101-001),(110-010)、Z2:(010-011),(100-101)、Z3:(011-001),(110-100)、Z4:(001-101),(010-110)、Z5:(011-010),(101-100)、Z6:(001-011),(100-110)の12個の空間ベクトルも、それぞれZ1~Z6の座標を示す。但し、一方のインバータ10がヌルベクトルではなく、2つのインバータ10が共にアクティブベクトルである組み合わせである。
Z1: (101-001), (110-010), Z2: (010-011), (100-101), Z3: (011-001), (110-100), Z4: (001-101). ), (010-110), Z5: (011-010), (101-100), Z6: (001-011), (100-110), the 12 spatial vectors also have the coordinates of Z1 to Z6, respectively. show. However, one of the
Z7は(100-001),(110-011)、Z8は(010-001),(110-101)、Z9は(010-100),(011-101)、Z10は(001-100),(011-110)、Z11は(001-010),(101-110)、Z12は(100-010),(101-011)の12個の空間ベクトルに対応する。また、Z13は(100-011)、Z14は(110-001)、Z15は(010-101)、Z16は(011-100)、Z17は(001-110)、Z18は(101-010)の6個の空間ベクトルに対応する。 Z7 is (100-001), (110-011), Z8 is (010-001), (110-101), Z9 is (010-100), (011-101), Z10 is (001-100), (011-110), Z11 correspond to (001-010), (101-110), Z12 corresponds to 12 space vectors of (100-010), (101-011). Further, Z13 is (100-011), Z14 is (110-001), Z15 is (010-101), Z16 is (011-100), Z17 is (001-110), and Z18 is (101-010). Corresponds to 6 space vectors.
図3は、回転電機80の制御領域を回転速度とトルクとの関係で示している。最も外側の実線は2つのインバータ10を用いて実現される制御領域を示し、破線は、1つのインバータ10を用いて実現可能な制御領域を示している。第1領域R1は、上述した第1制御モードに対応する制御領域を示し、第2領域R2は、第2制御モードに対応する制御領域を示し、第3領域R3は、第3制御モードに対応する制御領域を示し、第4領域R4は、第4制御モードに対応する制御領域を示している。
FIG. 3 shows the control region of the rotary
第1領域R1は、最も低回転速度・低トルクの制御領域であり、第1領域R1の全領域が1つのインバータ10を用いて実現可能な制御領域(図3中の破線よりも低回転速度・低トルクの側)に含まれている。つまり、第1領域R1では、1つのインバータ10によって回転電機80を駆動することができる。本実施形態では、表2に示したように、第2インバータ12をアクティブショートサーキット制御によって短絡状態として、第1インバータ11をパルス幅変調制御する第1制御モードによって回転電機80を駆動制御する。
The first region R1 is a control region having the lowest rotation speed and low torque, and a control region in which the entire region of the first region R1 can be realized by using one inverter 10 (lower rotation speed than the broken line in FIG. 3).・ It is included in the low torque side). That is, in the first region R1, the rotary
第2領域R2は、第1領域R1よりも高い回転速度の制御領域である。図3に示すように、第2領域R2の一部は、トルクが高い側において、1つのインバータ10を用いて実現可能な制御領域(図3中の破線よりも低回転速度・低トルクの側)よりも高い回転速度の領域を含む。つまり、第2領域R2では、全領域において1つのインバータ10によって回転電機80を駆動することはできず、回転電機制御装置1は、2つのインバータ10を用いて回転電機80を駆動する。第2領域R2は、全制御領域の中で相対的に低回転速度・低トルクの制御領域であるため、高い変調率は必要ではない。本実施形態では、表2に示したように、第1インバータ11及び第2インバータ12の双方をパルス幅変調制御する第2制御モードによって回転電機80を駆動制御する。
The second region R2 is a control region having a higher rotation speed than the first region R1. As shown in FIG. 3, a part of the second region R2 is a control region that can be realized by using one
第3領域R3は、第2領域R2よりも高い回転速度の制御領域である。図3に示すように、第3領域R3の多くの領域、特にトルクが高い側の領域は、1つのインバータ10を用いて実現可能な制御領域(図3中の破線よりも低回転速度・低トルクの側)よりも高い回転速度の領域である。第2領域R2と同様に第3領域R3でも、全領域において1つのインバータ10によって回転電機80を駆動することはできず、回転電機制御装置1は、2つのインバータ10を用いて回転電機80を駆動する。第3領域R3は、全制御領域の中で相対的に高回転速度・高トルクの制御領域であるため、高い変調率が求められる。本実施形態では、表2に示したように、第1インバータ11を矩形波制御し、第2インバータ12をパルス幅変調制御する第3制御モードによって回転電機80を駆動制御する。
The third region R3 is a control region having a higher rotation speed than the second region R2. As shown in FIG. 3, many regions of the third region R3, particularly the region on the high torque side, are control regions that can be realized by using one inverter 10 (lower rotation speed / lower than the broken line in FIG. 3). It is a region of higher rotation speed than the torque side). In the third region R3 as well as the second region R2, the rotary
第3制御モードにおけるパルス幅変調制御は、空間ベクトルパルス幅変調、及び、空間ベクトルパルス幅変調よりも高い変調率の出力が可能な不連続パルス幅変調を用いると好適である。尚、第1インバータ11が同期変調(矩形波変調)によって制御されるため、第2インバータ12も同期変調によって制御すると、第1インバータ11の交流電圧の位相と、第2インバータ12の交流電圧の位相とを180度異ならせることが容易である。上述したように、不連続パルス幅変調は同期変調(複数パルス変調)によって実現することもできる。第3制御モードにおいて第2インバータ12を制御するパルス幅変調として、同期変調(複数パルス変調)による不連続パルス幅変調を用いると好適である。
For the pulse width modulation control in the third control mode, it is preferable to use space vector pulse width modulation and discontinuous pulse width modulation capable of outputting a modulation factor higher than that of space vector pulse width modulation. Since the
第4領域R4は、最も高回転速度・高トルクの制御領域であり、低トルクの一部分を除き、第4領域R4のほぼ全領域が1つのインバータ10を用いて実現できない制御領域(図3中の破線よりも高回転速度・高トルクの側)に含まれている。表2に示したように、第4領域R4では、2つのインバータ10が共に矩形波制御される第4制御モードにより制御されて回転電機80が駆動される。
The fourth region R4 is a control region having the highest rotation speed and high torque, and almost the entire region of the fourth region R4 except for a part of low torque cannot be realized by using one inverter 10 (in FIG. 3). It is included on the side of high rotation speed and high torque than the broken line of. As shown in Table 2, in the fourth region R4, the rotary
表2、図2、図3等を参照して説明したように、回転電機制御装置1は、第1インバータ11を制御する制御方式及び第2インバータ12を制御する制御方式を、それぞれ独立して変更可能である。回転電機制御装置1は、回転電機80の回転速度に基づいて、それぞれの制御方式を変更すると好適である。或いは、回転電機制御装置1は、直流電力に対する3相交流電力の実効値の割合(例えば変調率(指令値であっても出力電圧からの換算値でもよい))に基づいて、それぞれの制御方式を変更すると好適である。また、回転電機80の回転速度や直流電力に対する3相交流電力の実効値の割合以外の指標に基づいて制御方式を変更しても良い。例えば、回転電機80の出力トルクに基づいて制御方式を変更しても良い。或いは、3相交流電力、3相交流電流、3相交流電圧や、これらの実効値に基づいて制御方式を変更しても良い。
As described with reference to Table 2, FIG. 2, FIG. 3, and the like, the rotary electric
さらに、回転電機制御装置1が、第1インバータ11を制御する制御方式及び第2インバータ12を制御する制御方式を、それぞれ独立して変更可能である場合、何れか一方の出力が他方の出力以上となるように、第1インバータ11及び第2インバータ12の制御方式を設定すると好適である。具体的には、以下において、表2に加え、下記に示す表3、表4等を参照して説明するが、2つのインバータの動作に応じて適切にそれぞれのインバータを構成することができる。例えば、相対的に高い出力(例えば相対的に高い変調率)で動作することが多い方のインバータをより信頼性が高くなるように構成し、相対的に低い出力(例えば相対的に低い変調率)で動作することが多い方のインバータは過剰性能とならないように構成することができる。
Further, when the rotary electric
また、上述したように、第3領域R3は、全制御領域の中で相対的に高回転速度・高トルクの制御領域である。このため、第3制御モードにおいて第2インバータ12を制御するパルス幅変調として、同期変調(複数パルス変調)による不連続パルス幅変調が用いられた場合、同期する回転速度も速くなり、パルスの周波数も高くなる。第2インバータ12を制御するパルス幅変調として、非同期変調(空間ベクトルパルス幅変調)が用いられた場合も、回転速度が高いため、キャリアの周波数が高くなり、パルスの周波数も高くなる傾向がある。
Further, as described above, the third region R3 is a control region having a relatively high rotation speed and high torque in the entire control region. Therefore, when discontinuous pulse width modulation by synchronous modulation (multiple pulse modulation) is used as the pulse width modulation for controlling the
第3制御モードにおける第1インバータ11の制御方式は、矩形波制御であるから、第1インバータ11を制御するパルスの周波数は、第2インバータ12よりも低くなる。第2制御モードでは、2つのインバータ10が共にパルス幅変調制御されるため、パルスの周波数は同等である。また、第1制御モードでは、第1インバータ11のみがパルス幅変調されるが、回転電機80の回転速度が低いため、パルスの周波数は、第3制御モード時に比べて低くなる。
Since the control method of the
本実施形態において、第1インバータ11は、パルス幅変調制御が実行される場合に相対的に低いスイッチング周波数のパルスで制御されるインバータ10である。一方、第2インバータ12は、パルス幅変調制御が実行される場合に相対的に高いスイッチング周波数のパルスで制御されるインバータ10である。このため、第1インバータ11を、オフ状態とオン状態との間での遷移時のスイッチング損失が相対的に大きい第1スイッチング素子31を用いて構成し、第2インバータ12を、スイッチング損失が相対的に小さい第2スイッチング素子32を用いて構成することができる。例えば、第1スイッチング素子31として、Si-IGBT又はSi-MOSFETを用い、第2スイッチング素子32として、SiC-MOSFET、GaN-MOSFET、又はSiC-IGBTを用いることができる。
In the present embodiment, the
炭化ケイ素(SiC)はケイ素(Si)と炭素(C)とで構成される化合物半導体材料である。SiCは、絶縁破壊電界強度がSiの10倍程度であり、バンドギャップがSiの3倍程度のワイドバンドギャップであるという優れた物性を持つ。さらに、SiCは、デバイス作製に必要なp型、n型の制御が広い範囲で可能である。SiCの絶縁破壊電界強度がSiよりも高いことより、SiCを用いて高耐圧パワーデバイスを構成する場合には、Siにより当該デバイスを構成する場合と比較して、高い不純物濃度且つ薄い膜厚でドリフト層を形成することができる。高耐圧パワーデバイスの抵抗成分のほとんどはドリフト層の抵抗となるので、SiCデバイスは、Siデバイスに比べて単位面積当たりのオン抵抗が非常に低くなる。例えば、理論上は同じ耐圧であれば、SiCデバイスのドリフト層抵抗は、Siデバイスのドリフト層抵抗と比較して面積あたり1/300程度に低減することができる。 Silicon carbide (SiC) is a compound semiconductor material composed of silicon (Si) and carbon (C). SiC has excellent physical properties that the dielectric breakdown electric field strength is about 10 times that of Si and the band gap is about 3 times that of Si. Further, SiC can control the p-type and n-type required for device fabrication in a wide range. Since the dielectric breakdown electric field strength of SiC is higher than that of Si, when a high withstand voltage power device is configured using SiC, the impurity concentration is higher and the film thickness is thinner than when the device is configured by Si. A drift layer can be formed. Since most of the resistance component of the high withstand voltage power device is the resistance of the drift layer, the on-resistance per unit area of the SiC device is much lower than that of the Si device. For example, if the withstand voltage is theoretically the same, the drift layer resistance of the SiC device can be reduced to about 1/300 per area as compared with the drift layer resistance of the Si device.
また、Siデバイスでは高耐圧化に伴うオン抵抗の増大を改善するためにIGBTなどの少数キャリアデバイス(バイポーラデバイス)として構成されることが多い。但し、IGBTは、スイッチング損失が大きく、高周波駆動では発熱も大きくなる。一方、SiCデバイスでは、高速なデバイス構造である多数キャリアデバイス(ショットキーバリアダイオードやMOSFET)で高耐圧を実現することができる。つまり、SiCデバイスでは、Siデバイスに比べて、高耐圧化、低オン抵抗化、高速化が実現できる。また、SiCは、ワイドバンドギャップであるため、Siよりも高温においても動作が可能なパワーデバイスを実現できる。窒化ガリウム(GaN)についても同様のことが言える。従って、第2スイッチング素子32として、特に、SiC-MOSFET、GaN-MOSFETが用いられると好適である。
Further, the Si device is often configured as a minority carrier device (bipolar device) such as an IGBT in order to improve the increase in on-resistance accompanying a high withstand voltage. However, the IGBT has a large switching loss and generates a large amount of heat when driven at a high frequency. On the other hand, in the SiC device, high withstand voltage can be realized by a large number of carrier devices (Schottky barrier diode and MOSFET) having a high-speed device structure. That is, the SiC device can realize higher withstand voltage, lower on-resistance, and higher speed than the Si device. Further, since SiC has a wide bandgap, it is possible to realize a power device capable of operating at a higher temperature than Si. The same is true for gallium nitride (GaN). Therefore, as the
ところで、上記においては、表2を参照して、4つの制御モードの内、第1制御モード(mode1)と第3制御モード(mode3)とが、第1インバータ11を第1制御方式で制御し、第2インバータ12を第2制御方式で制御する制御モードに相当する形態を例示した。例えば、第1制御モードでは、第1制御方式はパルス幅変調制御(PWM)であり、第2制御方式はアクティブショートサーキット制御(ASC)である。また、第3制御モードにおける第1制御方式は矩形波制御(1-Pulse)であり、第2制御方式はパルス幅変調制御(PWM)である。しかし、第1制御方式と第2制御方式との区別は、アクティブショートサーキット制御(ASC)、パルス幅変調制御(PWM)、及び矩形波制御(1-Pulse)などの制御方式の違いに限定されるものではない。例えば、パルス幅変調制御(PWM)であっても、連続パルス幅変調(CPWM)と不連続パルス幅変調(DPWM)とでは制御方式が異なるということができ、不連続パルス幅変調であっても、非同期(asynchronous)変調と同期(synchronous)変調とでは制御方式が異なるということができる。下記の表3に表2とは別の形態を例示する。
By the way, in the above, with reference to Table 2, among the four control modes, the first control mode (mode1) and the third control mode (mode3) control the
表3に示すように、第2制御モード(mode2)において、第1インバータ11を不連続パルス幅変調(DPWM)で制御し、第2インバータ12を連続パルス幅変調(CPWM)で制御すると、第1インバータ11を第1制御方式で制御し、第2インバータ12を第2制御方式で制御することになる。また、表3に示すように、第3制御モード(mode3)をさらに細分化して、複数の制御方式を用いて第2インバータ12を制御してもよい。
As shown in Table 3, in the second control mode (mode2), when the
上述したように、回転電機制御装置1は、直流電力に対する3相交流電力の実効値の割合(例えば変調率(指令値であっても出力電圧からの換算値でもよい))に基づいて、それぞれの制御方式を変更することができる。本実施形態では、第1直流電源61の端子間電圧“E1”と第2直流電源62の端子間電圧“E2”は同じである(共に電圧“E”)。第1インバータ11の交流側の実効値を“Va_inv1”、第2インバータ12の交流側の実効値を“Va_inv2”とすると、第1インバータ11の変調率“Mi_inv1”は、及び第2インバータ12の変調率“Mi_inv2”は下記式(1)、(2)のようになる。また、システム全体の変調率“Mi_sys”は、下記式(3)のようになる。
As described above, the rotary electric
Mi_inv1=Va_inv1/E1=Va_inv1/E ・・・(1)
Mi_inv2=Va_inv2/E2=Va_inv2/E ・・・(2)
Mi_sys =(Va_inv1+Va_inv2)/(E1+E2)
=(Va_inv1+Va_inv2)/2E ・・・(3)Mi_inv1 = Va_inv1 / E1 = Va_inv1 / E ... (1)
Mi_inv2 = Va_inv2 / E2 = Va_inv2 / E ... (2)
Mi_sys = (Va_inv1 + Va_inv2) / (E1 + E2)
= (Va_inv1 + Va_inv2) / 2E ... (3)
電圧の瞬時値については、図4から図7を参照して後述するようなベクトルを考慮する必要があるが、単純に変調率だけを考えると、式(1)~(3)より、システム全体の変調率“Mi_sys”は、“(Mi_inv1+Mi_inv2)/2”となる。 Regarding the instantaneous value of the voltage, it is necessary to consider the vector as described later with reference to FIGS. 4 to 7, but if only the modulation factor is simply considered, the entire system can be understood from equations (1) to (3). The modulation factor "Mi_system" of is "(Mi_inv1 + Mi_inv2) / 2".
例えば、表3に示す第1制御モードは、システム全体の変調率“Mi_sys”が、第1基準変調率M1(例えば“0.25”)未満の場合に選択される。第2インバータ12はアクティブショートサーキット制御されているため、変調率“Mi_inv2”はゼロである。従って、システム全体の変調率“Mi_sys”を第1インバータ11のみで達成する必要がある。このため、第1インバータ11は、制御モード間のハンチングを防止するためのマージンα(例えば“0.1”)を含めて、変調率“Mi_inv1”が“0.6=0.25×2+0.1”未満の範囲で、連続パルス幅変調制御(CPWM)により制御される。
For example, the first control mode shown in Table 3 is selected when the modulation factor “Mi_sys” of the entire system is less than the first reference modulation factor M1 (for example, “0.25”). Since the
第2制御モードは、システム全体の変調率“Mi_sys”が、第1基準変調率M1(例えば“0.25”)以上、第2基準変調率M2(例えば“0.5”)未満の場合に選択される。表2に示すように、第1インバータ11と第2インバータ12とが同じ制御方式で制御される場合には、両インバータの変調率“Mi_inv1”、“Mi_inv2”が、“0.25~0.5”の範囲となるように、連続パルス幅変調制御(CPWM)又は不連続パルス幅変調制御(DPWM)により、第1インバータ11及び第2インバータ12が制御される。表3に示すように、第1インバータ11と第2インバータ12とが異なるパルス幅制御方式で制御される場合には、システム全体の変調率“Mi_sys”が“0.25~0.5”の範囲となり、“Mi_inv1>Mi_inv2”となるように、第1インバータ11が不連続パルス幅変調制御(DPWM)により制御され、第2インバータ12が連続パルス幅変調制御(CPWM)により制御される。ここでは、例えば、第2制御モードにおける第1インバータ11の変調率“Mi_inv1”の最大値が“0.56”、第2インバータ12の変調率“Mi_inv2”の最大値が“0.44”であるとする。尚、第1制御モードのマージンαと同様に制御モード間のハンチングを防止するために、例えば、変調率の範囲の上限側にマージンが設定されていてもよい。
The second control mode is when the modulation factor “Mi_sys” of the entire system is equal to or higher than the first reference modulation factor M1 (for example, “0.25”) and less than the second reference modulation factor M2 (for example, “0.5”). Be selected. As shown in Table 2, when the
第3制御モードは、システム全体の変調率“Mi_sys”が、第2基準変調率M2(例えば“0.5”)以上、最大変調率“0.78”未満の場合に選択される。第1インバータ11は矩形波制御(1-Pulse)により制御されるため、その変調率“Mi_inv1”は“0.78”固定となる。システム全体の変調率“Mi_sys”を満たすために、第2インバータ12は、変調率“Mi_inv2”が“0.22”以上、“0.78”未満となる範囲内で制御される。この範囲内での下限の変調率“0.22”に近い側では、表3に示すように、連続パルス幅変調制御(CPWM)により第2インバータ12が制御される。また、この範囲内での上限の変調率“0.78”に近い側では、表3に示すように、複数パルス変調制御(Multi-Pulses)により第2インバータ12が制御される。この範囲内での中間の変調率では、不連続パルス幅変調制御(DPWM)により第2インバータ12が制御される。尚、第1制御モードのマージンαと同様に制御モード間のハンチングを防止するために、例えば、変調率の範囲の下限側にマージンが設定されていてもよい。
The third control mode is selected when the modulation factor "Mi_sys" of the entire system is the second reference modulation factor M2 (for example, "0.5") or more and the maximum modulation factor "0.78". Since the
第4制御モードは、システム全体の変調率“Mi_sys”が、最大変調率“0.78”に固定される。第1インバータ11及び第2インバータ12の双方が矩形波制御(1-Pulse)により制御されるため、両インバータの変調率“Mi_inv1”、“Mi_inv2”は“0.78”固定となる。このように、回転電機制御装置1は、変調率(変調率の指令値であっても出力電圧からの換算値であってもよい)に基づいて、制御方式を変更することができる。下記の表4は、表3の制御形態に上述した変調率による区分を加えたものである。尚、表4中の“a”、“b”は、任意の値であり、例えば“a”は、“0.3~0.5”程度、“b”は“0.5~0.7”程度であると好適である。
In the fourth control mode, the modulation factor "Mi_sys" of the entire system is fixed to the maximum modulation factor "0.78". Since both the
尚、変調率と等価な指標であるが、回転電機制御装置1は、電圧指令(第1インバータ11の電圧指令“V1*”、第2インバータ12の電圧指令“V2*”)に基づいて制御方式を変更してもよい(図8等に例示する電圧指令Vu**等を参照)。例えば、第1制御モードは、第1インバータ11の電圧指令“V1*”が、第1電圧指令基準値(第1基準変調率M1に対応する電圧指令の値)未満で、第2インバータ12の電圧指令“V2*”がゼロの場合に選択される。第4制御モードは、第1インバータ11の電圧指令“V1*”及び第2インバータ12の電圧指令“V2*”が最大値の場合に選択される。上記の説明により、容易に理解可能であるため、詳細な説明や例示は省略するが、第2制御モード、第3制御モードについても同様に、回転電機制御装置1は、電圧指令に基づいて制御方式を変更することができる。Although it is an index equivalent to the modulation factor, the rotary electric
ところで、上述したように、第1インバータ11を制御する制御方式及び第2インバータ12を制御する制御方式がそれぞれ独立して変更可能である場合、回転電機制御装置1は、両インバータ(11,12)の制御方式の組み合わせを変更する際に、何れか一方のインバータ10の制御方式を変更すると好適である。2つのインバータ(11,12)の制御方式が同時に変更されると、制御の連続性を維持することが難しくなり、回転電機80の回転に影響を与える可能性がある。2つのインバータ(11,12)の内の何れか一方のインバータ10の制御方式を変更し、2つのインバータ(11,12)の制御方式の組み合わせを変更することで、安定して回転電機80を制御することができる。
By the way, as described above, when the control method for controlling the
例えば、第1インバータ11の制御方式及び第2インバータ12の制御方式が同じ制御方式の場合には、異なる制御方式となるように、何れか一方のインバータ10の制御方式を変更し、第1インバータ11の制御方式と第2インバータ12の制御方式とが異なる制御方式の場合には、別の組み合わせの異なる制御方式又は同じ制御方式となるように、何れか一方のインバータ10の制御方式を変更する。下記の表5は、そのように制御方式を変更する一例を示している。尚、表5に例示するmodeは、例えば変調率に応じて切り替えられると好適である。また、具体的な変調率は示していないが、表5に例示する形態においても、表4に例示した形態と同様にmode1の側が低変調率であり、mode4の側が高変調率である。
For example, when the control method of the
表5に示すmode1では、第1インバータ11が連続パルス幅変調により制御され、第2インバータ12がアクティブショートサーキット制御により制御されており、2つのインバータ(11,12)は、異なる制御方式で制御される。mode2-1では、第1インバータ11及び第2インバータ12が共に連続パルス幅変調により制御されており、2つのインバータ(11,12)は、同じ制御方式で制御される。2つのインバータ(11,12)が異なる制御方式で制御されるmode1から、2つのインバータ(11,12)が同じ制御方式で制御されるmode2-1へ移行する際には、何れか一方のインバータ10である第2インバータ12の制御方式がアクティブショートサーキット制御から連続パルス幅変調制御へと変更される。2つのインバータ(11,12)が同じ制御方式で制御されるmode2-1から、2つのインバータ(11,12)が異なる制御方式で制御されるmode1へ移行する際には、何れか一方のインバータ10である第2インバータ12の制御方式が連続パルス幅変調制御からアクティブショートサーキット制御へと変更される。
In
mode2-2では、第1インバータ11が不連続パルス幅変調により制御され、第2インバータ12が連続パルス幅変調により制御されており、2つのインバータ(11,12)は、異なる制御方式で制御される。2つのインバータ(11,12)が同じ制御方式で制御されているmode2-1から、2つのインバータ(11,12)が異なる制御方式で制御されるmode2-2へ移行する際には、何れか一方のインバータ10である第1インバータ11の制御方式が連続パルス幅変調制御から不連続パルス幅変調制御へと変更される。同様に、2つのインバータ(11,12)が異なる制御方式で制御されているmode2-2から、2つのインバータ(11,12)が同じ制御方式で制御されるmode2-1へ移行する際には、何れか一方のインバータ10である第1インバータ11の制御方式が不連続パルス幅変調制御から連続パルス幅変調制御へと変更される。
In mode2-2, the
mode3-1では、第1インバータ11が矩形波変調により制御され、第2インバータ12が連続パルス幅変調により制御されており、2つのインバータ(11,12)は、異なる制御方式で制御される。2つのインバータ(11,12)が異なる制御方式で制御されているmode2-2から、2つのインバータ(11,12)が別の組み合わせの異なる制御方式で制御されるmode3-1へ移行する際には、何れか一方のインバータ10である第1インバータ11の制御方式が不連続パルス幅変調制御から矩形波制御へと変更される。同様に、2つのインバータ(11,12)が異なる制御方式で制御されているmode3-1から、2つのインバータ(11,12)が別の組み合わせの異なる制御方式で制御されるmode2-2へ移行する際には、何れか一方のインバータ10である第1インバータ11の制御方式が矩形波変調制御から不連続パルス幅変調制御へと変更される。
In mode3-1, the
mode3-2では、第1インバータ11が矩形波変調により制御され、第2インバータ12が不連続パルス幅変調により制御されており、2つのインバータ(11,12)は、異なる制御方式で制御される。2つのインバータ(11,12)が異なる制御方式で制御されているmode3-1から、2つのインバータ(11,12)が別の組み合わせの異なる制御方式で制御されるmode3-2へ移行する際には、何れか一方のインバータ10である第2インバータ12の制御方式が連続パルス幅変調から不連続パルス幅変調制御へと変更される。同様に、2つのインバータ(11,12)が異なる制御方式で制御されているmode3-2から、2つのインバータ(11,12)が別の組み合わせの異なる制御方式で制御されるmode3-1へ移行する際には、何れか一方のインバータ10である第2インバータ12の制御方式が不連続パルス幅変調制御から連続パルス幅変調制御へと変更される。
In mode3-2, the
mode4では、第1インバータ11及び第2インバータ12が共に矩形波変調により制御されており、2つのインバータ(11,12)は、同じ制御方式で制御される。2つのインバータ(11,12)が異なる制御方式で制御されているmode3-2から、2つのインバータ(11,12)が同じ制御方式で制御されるmode4へ移行する際には、何れか一方のインバータ10である第2インバータ12の制御方式が不連続パルス幅変調制御から矩形波制御へと変更される。同様に、2つのインバータ(11,12)が同じ制御方式で制御されているmode4から、2つのインバータ(11,12)が異なる制御方式で制御されるmode3-2へ移行する際には、何れか一方のインバータ10である第2インバータ12の制御方式が矩形波変調制御から不連続パルス幅変調制御へと変更される。
In
以下、表2に例示した形態を中心に、第1制御モードから第4制御モードについて、電圧指令、及び、一部は、インバータ10の出力電圧、相間電圧の波形例も参照して説明する。
Hereinafter, the first control mode to the fourth control mode will be described with reference to a voltage command and, in part, an example of waveforms of the output voltage and the interphase voltage of the
図4は、第1制御モードで駆動制御される回転電機80のdq軸ベクトル座標系での1つの動作点におけるベクトル図を例示している。図中、“V1”は第1インバータ11による電圧を示す第1電圧ベクトル、“V2”は第2インバータ12による電圧を示す第2電圧ベクトルを示す。2つのインバータ10を介してオープン巻線であるステータコイル8に現れる電圧は、第1電圧ベクトルV1と第2電圧ベクトルV2との差“V1-V2”に相当する。図中の“Va”は、ステータコイル8に現れる合成電圧ベクトルを示している。第1制御モードでは、第2インバータ12がアクティブショートサーキット制御されており、第2電圧ベクトルV2はヌルベクトルである。従って、合成電圧ベクトルVaは、第1電圧ベクトルV1と一致する。また、“Ia”は、回転電機80のステータコイル8を流れる電流を示している。尚、符号については、以下、第2制御モードから第4制御モードにおけるベクトル図を示す図5から図7についても同様である。
FIG. 4 illustrates a vector diagram at one operating point in the dq-axis vector coordinate system of the rotary
図8の波形図は、第1制御モードにおける第1インバータ11のU相電圧指令である第1U相電圧指令Vu1**と、第2インバータ12のU相電圧指令である第2U相電圧指令Vu2**と、パルス幅変調の際のキャリアCAの一例とを示している。本実施形態において、キャリアCAは波高が“1”、つまり、“0”から“1”の間で変化する三角波である。電圧指令は、最小値が“0”より大きく、最大値が“1”よりも小さい範囲で変化する。正弦波パルス幅変調では、電圧指令が正弦波状となるが最大変調率が約0.61に留まる。本実施形態では、最大変調率が約0.71程度となる空間ベクトルパルス幅変調を行うため、正弦波状の電圧指令が補正されている。The waveform diagram of FIG. 8 shows the first U-phase voltage command Vu1 ** , which is the U-phase voltage command of the
上述したように、第1制御モードでは、第2インバータ12がアクティブショートサーキット制御により短絡されており、第1インバータ11のみがインバータ10として機能している。例えば、U相電圧の最大振幅は直流電源6の電圧を“E”として“(2/3)E”であり(図2のベクトル図も参照)、相間電圧の最大振幅は同様に直流電源6の電圧を“E”として“E”である。
As described above, in the first control mode, the
図5は、第2制御モードで駆動制御される回転電機80のdq軸ベクトル座標系での1つの動作点におけるベクトル図を例示している。図9及び図10の波形図は、第2制御モードにおける第1インバータ11のU相電圧指令である第1U相電圧指令Vu1**と、第2インバータ12のU相電圧指令である第2U相電圧指令Vu2**と、キャリアCAの一例とを示している。図9の第1U相電圧指令Vu1**は、第1インバータ11が連続パルス幅変調(CPWM)で変調される場合を例示している。また、図10の第1U相電圧指令Vu1**は、第1インバータ11が不連続パルス幅変調(DPWM)で変調される場合を例示している(表3、表4を参照して例示した形態。)。第1U相電圧指令Vu1**と第2U相電圧指令Vu2**とは、概ね180度異なる位相である。変調率が同じ場合、電流“Ia”のベクトルと第2インバータ12による電圧“V2”のベクトルとが同一直線上に乗ると(180度異なる向きであると)、第2インバータ12の力率が“1”となる。その結果、第2インバータ12を高い効率で動作させて、システム損失を最適化すうことができる。FIG. 5 illustrates a vector diagram at one operating point in the dq-axis vector coordinate system of the rotary
第1制御モードとは異なり、第2インバータ12が短絡状態ではなく、第1インバータ11及び第2インバータ12が有効に機能しているため、U相電圧の最大振幅は第1制御モード時の2倍の“(4/3)E”となり(図2のベクトル図も参照)、相間電圧の最大振幅は、“2E”となる。尚、第1直流電源61と第2直流電源62とは独立しており、第1直流電源61の第1直流電圧E1と、第2直流電源62の第2直流電圧E2とは、異なる値であってもよい。例えば、正確には、U相電圧の最大振幅は、“((2/3)E1)+(2/3)E2”であるが、以下の説明も含めて、本明細書中では“E1=E2=E”として説明する。
Unlike the first control mode, the
図6は、第3制御モードで駆動制御される回転電機80のdq軸ベクトル座標系での1つの動作点におけるベクトル図を例示している。図11及び図12の波形図は、第3制御モードにおける第1インバータ11のU相電圧指令である第1U相電圧指令Vu1**と、第2インバータ12のU相電圧指令である第2U相電圧指令Vu2**と、キャリアCAの一例とを示している。第3制御モードでは、第1インバータ11が矩形波制御されるため、第1U相電圧指令Vu1**も矩形波状となる。図11は、第2U相電圧指令Vu2**が、第2制御モードと同様の形態(空間ベクトルパルス幅変調(SVPWM)など連続パルス幅変調(CPWM)の電圧指令)を例示している。図12は、表3、表4を参照して上述したように、第2U相電圧指令Vu2**が、不連続パルス幅変調(DPWM)の電圧指令であってもよい。また、第2インバータ12は、複数パルス変調(不連続パルス幅変調)など、矩形波変調と同様の同期変調が実施されてもよい。尚、第1インバータ11及び第2インバータ12の双方が同期変調される場合には、キャリアCAは不要である。FIG. 6 illustrates a vector diagram at one operating point in the dq-axis vector coordinate system of the rotary
第3制御モードでも第2制御モードと同様に、第1インバータ11及び第2インバータ12が有効に機能しているため、U相電圧の最大振幅は“(4/3)E”となり、相間電圧の最大振幅は、“2E”となる。
Since the
図7は、第4制御モードで駆動制御される回転電機80のdq軸ベクトル座標系での1つの動作点におけるベクトル図を例示している。ここでは、位相が180度異なる矩形波によって第1インバータ11と第2インバータ12とが制御されており、第1インバータ11による第1電圧ベクトルV1と、第2インバータ12による第2電圧ベクトルV2とは、ベクトルの向きが180度異なる。このため、図7に示すように、合成電圧ベクトルVaは、第1電圧ベクトルV1の向きに第2電圧ベクトルV2の大きさを加算したベクトルとなっている。
FIG. 7 illustrates a vector diagram at one operating point in the dq-axis vector coordinate system of the rotary
図13の波形図は、第4制御モードにおける第1インバータ11のU相電圧指令である第1U相電圧指令Vu1**と、第2インバータ12のU相電圧指令である第2U相電圧指令Vu2**と、キャリアCAの一例とを示している。第4制御モードでは、第1インバータ11に加えて第2インバータ12も矩形波制御されるため、第1U相電圧指令Vu1**及び第2U相電圧指令Vu2**の双方が矩形波状となる。尚、第1インバータ11及び第2インバータ12の双方が矩形波変調(同期変調)される場合には、キャリアCAは不要であるが、変調率などについて、第1制御モード、第2制御モード、第3制御モードとの比較が容易なようにキャリアCAも図示している。The waveform diagram of FIG. 13 shows the first U-phase voltage command Vu1 ** , which is the U-phase voltage command of the
図14の波形図は、第4制御モードのU相電圧の一例を示しており、図15の波形図は、第4制御モードのU-V相間電圧の一例を示している。第4制御モードでも第1インバータ11及び第2インバータ12が有効に機能しているため、図14に示すようにU相電圧の最大振幅は“(4/3)E”である。また、図15に示すように、相間電圧の最大振幅は、“2E”となる。
The waveform diagram of FIG. 14 shows an example of the U-phase voltage of the fourth control mode, and the waveform diagram of FIG. 15 shows an example of the U-V phase voltage of the fourth control mode. Since the
尚、上記においては、第1インバータ11が、第1直流電源61に接続されて直流と複数相の交流との間で電力を変換し、第2インバータ12が、第1直流電源61とは独立した第2直流電源62に接続されて直流と複数相の交流との間で電力を変換する形態を例示して説明した。しかし、同一の直流電源6に接続された第1インバータ11及び第2インバータ12が、それぞれ独立に制御される形態であってもよい。
In the above, the
〔実施形態の概要〕
以下、上記において説明した回転電機制御装置(1)の概要について簡単に説明する。[Outline of Embodiment]
Hereinafter, the outline of the rotary electric machine control device (1) described above will be briefly described.
互いに独立した複数相のオープン巻線(8)を有する回転電機(80)を、第1インバータ(11)及び第2インバータ(12)を介して駆動制御する回転電機制御装置(1)は、1つの態様として、
前記第1インバータ(11)が、前記複数相のオープン巻線(8)の一端側に接続されて直流と複数相の交流との間で電力を変換し、
前記第2インバータ(12)が、前記複数相のオープン巻線(8)の他端側に接続されて直流と複数相の交流との間で電力を変換し、
前記第1インバータ(11)及び前記第2インバータ(12)は、それぞれ交流1相分のアーム(3A)が上段側スイッチング素子(3H)と下段側スイッチング素子(3L)との直列回路により構成され、
前記第1インバータ(11)及び前記第2インバータ(12)の制御方式として、電気角の一周期においてパターンの異なる複数のパルスが出力されるパルス幅変調制御と、複数相全ての前記アーム(3A)の前記上段側スイッチング素子(3H)をオン状態とする又は複数相全ての前記アーム(3A)の前記下段側スイッチング素子(3L)をオン状態とするアクティブショートサーキット制御と、電気角の一周期において1つのパルスが出力される矩形波制御との内、少なくとも2つの制御方式を有すると共に、
前記第1インバータ(11)及び前記第2インバータ(12)を、それぞれ独立した前記制御方式で制御可能であり、
複数の前記制御方式の内の1つの前記制御方式を第1制御方式とし、前記第1制御方式とは異なる1つの前記制御方式を第2制御方式として、
前記第1インバータを前記第1制御方式で制御し、前記第2インバータを前記第2制御方式で制御する制御モードを有する。The rotary electric machine control device (1) for driving and controlling a rotary electric machine (80) having a plurality of phases of open windings (8) independent of each other via a first inverter (11) and a second inverter (12) is 1. As one aspect,
The first inverter (11) is connected to one end side of the multi-phase open winding (8) to convert power between direct current and multi-phase alternating current.
The second inverter (12) is connected to the other end of the multi-phase open winding (8) to convert power between direct current and multi-phase alternating current.
In the first inverter (11) and the second inverter (12), the arm (3A) for one AC phase is composed of a series circuit of an upper switching element (3H) and a lower switching element (3L), respectively. ,
As the control method of the first inverter (11) and the second inverter (12), pulse width modulation control in which a plurality of pulses having different patterns are output in one cycle of the electric angle and the arm (3A) of all the plurality of phases are used. ), The active short circuit control that turns on the upper switching element (3H) or turns on the lower switching element (3L) of all the arms (3A) of the plurality of phases, and one cycle of the electric angle. It has at least two control methods among the square wave control in which one pulse is output in the above.
The first inverter (11) and the second inverter (12) can be controlled by the independent control methods.
One of the plurality of control methods is defined as the first control method, and one control method different from the first control method is used as the second control method.
It has a control mode in which the first inverter is controlled by the first control method and the second inverter is controlled by the second control method.
インバータ(10)を制御する制御方式には、回転電機(80)の回転速度やトルクになどの動作条件に応じた種々の方式が知られている。本構成のように、2つのインバータ(10)を備えている場合には、直流側の電圧よりも大きい振幅の交流電圧を生成することができる。但し、回転電機制御装置(1)は、常に最も交流の振幅が大きくなるように2つのインバータ(10)を制御する必要はなく、必要に応じた振幅が得られるように、2つのインバータ(10)を制御すればよい。第1インバータ(11)及び第2インバータ(12)を、それぞれ独立した制御方式で制御することで、回転電機(80)の動作条件に応じて、柔軟に2つのインバータ(10)を制御することができる。さらに、第1インバータ(11)と第2インバータ(12)とを異なる制御方式で制御する制御モードを有することによって、制御の柔軟性を高め、回転電機(80)の動作条件に応じて高い効率で回転電機(80)を駆動制御することができる。即ち、本構成によれば、オープン巻線(8)の両端にそれぞれ備えられた2つのインバータ(10)を適切に制御することができる。 As a control method for controlling the inverter (10), various methods according to operating conditions such as the rotation speed and torque of the rotary electric machine (80) are known. When two inverters (10) are provided as in this configuration, it is possible to generate an AC voltage having an amplitude larger than the voltage on the DC side. However, the rotary electric machine control device (1) does not always need to control the two inverters (10) so that the amplitude of the alternating current becomes the largest, and the two inverters (10) so that the required amplitude can be obtained. ) May be controlled. By controlling the first inverter (11) and the second inverter (12) by independent control methods, the two inverters (10) can be flexibly controlled according to the operating conditions of the rotary electric machine (80). Can be done. Further, by having a control mode in which the first inverter (11) and the second inverter (12) are controlled by different control methods, the flexibility of control is increased and the efficiency is high according to the operating conditions of the rotary electric machine (80). The rotary electric machine (80) can be driven and controlled by. That is, according to this configuration, it is possible to appropriately control the two inverters (10) provided at both ends of the open winding (8).
1つの態様として、前記第1インバータ(11)及び前記第2インバータ(12)の内の何れか一方のみを前記パルス幅変調制御により制御し、他方を前記アクティブショートサーキット制御により制御すると好適である。 As one embodiment, it is preferable to control only one of the first inverter (11) and the second inverter (12) by the pulse width modulation control and the other by the active short circuit control. ..
この構成によれば、何れか一方のインバータ(10)をアクティブショートサーキット制御することによって、1つのインバータ(10)によって回転電機(80)を駆動する動作モードを実現することができる。 According to this configuration, by controlling one of the inverters (10) in an active short circuit, it is possible to realize an operation mode in which the rotary electric machine (80) is driven by one inverter (10).
また、1つの態様として、前記第1インバータ(11)及び前記第2インバータ(12)の内の何れか一方の出力が他方の出力以上となるように、前記第1インバータ(11)及び前記第2インバータ(12)の前記制御方式が設定されていると好適である。 Further, as one embodiment, the first inverter (11) and the first inverter (11) and the first inverter (12) so that the output of any one of the first inverter (11) and the second inverter (12) is equal to or higher than the output of the other. 2 It is preferable that the control method of the inverter (12) is set.
この構成によれば、相対的に高い出力で動作することが多い方のインバータ(10)をより信頼性が高くなるように構成し、相対的に低い出力で動作することが多い方のインバータ(10)は過剰性能とならないように構成するなど、2つのインバータ(11,12)の動作に応じて適切にそれぞれのインバータ(11,12)を構成することができる。 According to this configuration, the inverter (10) that often operates at a relatively high output is configured to have higher reliability, and the inverter (10) that often operates at a relatively low output is configured ( 10) can be appropriately configured according to the operation of the two inverters (11, 12), such as being configured so as not to have excessive performance.
また、前記第1インバータ(11)を制御する前記制御方式及び前記第2インバータ(12)を制御する前記制御方式は、それぞれ独立して変更可能であり、回転電機制御装置(1)が、前記回転電機(80)の回転速度に基づいて、それぞれの前記制御方式を変更すると好適である。 Further, the control method for controlling the first inverter (11) and the control method for controlling the second inverter (12) can be changed independently, and the rotary electric machine control device (1) can be used as described above. It is preferable to change each of the control methods based on the rotation speed of the rotary electric machine (80).
回転電機(80)の動作条件は、しばしば回転速度とトルクとの関係で定義される。回転電機制御装置(1)が、1つのパラメータである回転速度に基づいて、第1インバータ(11)及び第2インバータ(12)を制御する制御方式を変更すると、回転電機(80)の動作条件に応じて高い効率で回転電機(80)を駆動制御することができる。 The operating conditions of the rotary electric machine (80) are often defined by the relationship between the rotation speed and the torque. When the rotary electric machine control device (1) changes the control method for controlling the first inverter (11) and the second inverter (12) based on the rotation speed which is one parameter, the operating condition of the rotary electric machine (80) is changed. The rotary electric machine (80) can be driven and controlled with high efficiency.
或いは、前記第1インバータ(11)を制御する前記制御方式及び前記第2インバータ(12)を制御する前記制御方式が、それぞれ独立して変更可能である場合に、回転電機制御装置(1)が、直流電力に対する3相交流電力の実効値の割合に基づいて、それぞれの前記制御方式を変更すると好適である。 Alternatively, when the control method for controlling the first inverter (11) and the control method for controlling the second inverter (12) can be changed independently, the rotary electric power control device (1) may be used. It is preferable to change each of the control methods based on the ratio of the effective value of the three-phase AC power to the DC power.
例えば、回転電機(80)に高い出力(速い回転速度や高いトルク)が要求される場合、電圧型のインバータでは、直流電圧を高くすることや、直流電圧が交流電圧に変換される割合を高くすることで当該要求が実現される。直流電圧が一定の場合には、直流電圧が交流電圧に変換される割合を高くすることで当該要求を実現することができる。この割合は、直流電力に対する3相交流電力の実効値の割合(電圧型のインバータの場合には、直流電圧に対する3相交流電圧の実効値の割合と等価)として示すことができる。インバータ(10)を制御する制御方式には、この割合が低いものから高いものまで種々の方式が存在する。回転電機(80)に対する要求に応じて定まる直流電力に対する3相交流電力の実効値の割合に基づいて、制御方式を変更することによって、回転電機(80)の動作条件に応じて高い効率で回転電機(80)を駆動制御することができる。 For example, when a rotary electric machine (80) is required to have a high output (fast rotation speed and high torque), in a voltage type inverter, the DC voltage is increased and the ratio of the DC voltage converted to an AC voltage is increased. By doing so, the requirement is realized. When the DC voltage is constant, the requirement can be realized by increasing the ratio of the DC voltage converted to the AC voltage. This ratio can be shown as the ratio of the effective value of the three-phase AC power to the DC power (in the case of a voltage type inverter, it is equivalent to the ratio of the effective value of the three-phase AC voltage to the DC voltage). There are various control methods for controlling the inverter (10), from those having a low ratio to those having a high ratio. By changing the control method based on the ratio of the effective value of the three-phase AC power to the DC power determined according to the demand for the rotary electric machine (80), it rotates with high efficiency according to the operating conditions of the rotary electric machine (80). The electric machine (80) can be driven and controlled.
前記第1インバータ(11)を制御する前記制御方式及び前記第2インバータ(12)を制御する前記制御方式が、それぞれ独立して変更可能である場合、1つの態様として、回転電機制御装置(1)は、前記第1インバータ(11)の前記制御方式及び前記第2インバータ(12)の前記制御方式が同じ前記制御方式の場合には、前記第1インバータ(11)の前記制御方式及び前記第2インバータ(12)の前記制御方式が異なる前記制御方式となるように、何れか一方の前記制御方式を変更し、前記第1インバータ(11)の前記制御方式及び前記第2インバータ(12)の前記制御方式が異なる前記制御方式の場合には、前記第1インバータ(11)の前記制御方式及び前記第2インバータ(12)の前記制御方式が、別の組み合わせの異なる前記制御方式又は同じ前記制御方式となるように、何れか一方の前記制御方式を変更すると好適である。 When the control method for controlling the first inverter (11) and the control method for controlling the second inverter (12) can be changed independently, one embodiment is a rotary electric machine control device (1). ) Is the control method of the first inverter (11) and the control method of the first inverter (11) when the control method of the second inverter (12) is the same. 2 One of the control methods is changed so that the control method of the inverter (12) is different from that of the control method of the first inverter (11) and the second inverter (12). In the case of the control method having different control methods, the control method of the first inverter (11) and the control method of the second inverter (12) are different combinations of the different control methods or the same control. It is preferable to change one of the control methods so that the method becomes a method.
2つのインバータ(11,12)の制御方式が同時に変更されると、制御の連続性を維持することが難しくなり、回転電機(80)の回転に影響を与える可能性がある。2つのインバータ(11,12)の内の一方のインバータ(10)の制御方式を変更して2つのインバータ(11,12)の制御方式の組み合わせを変更することで、安定して回転電機(80)を制御することができる。 If the control methods of the two inverters (11, 12) are changed at the same time, it becomes difficult to maintain the continuity of control, which may affect the rotation of the rotary electric machine (80). By changing the control method of one of the two inverters (11, 12) (10) and changing the combination of the control methods of the two inverters (11, 12), the rotary electric machine (80) can be stably operated. ) Can be controlled.
ここで、前記パルス幅変調制御は、それぞれ異なる複数の前記制御方式として、連続パルス幅変調及び不連続パルス幅変調を含み、前記連続パルス幅変調は、それぞれ異なる複数の前記制御方式として、正弦波パルス幅変調及び空間ベクトルパルス幅変調を含み、前記不連続パルス幅変調は、それぞれ異なる複数の前記制御方式として、前記回転電機の回転に同期せずにパルスが出力される非同期変調と、前記回転電機の回転に同期したパルスが出力される同期変調とを含み、前記同期変調は、前記回転電機の電気角の1周期に付き複数のパルスが出力される複数パルス変調を含むと好適である。 Here, the pulse width modulation control includes continuous pulse width modulation and discontinuous pulse width modulation as a plurality of different control methods, and the continuous pulse width modulation is a sinusoidal wave as a plurality of different control methods. The discontinuous pulse width modulation includes pulse width modulation and spatial vector pulse width modulation, and the discontinuous pulse width modulation includes asynchronous modulation in which a pulse is output without being synchronized with the rotation of the rotary electric machine and the rotation as a plurality of different control methods. It includes synchronous modulation in which pulses synchronized with the rotation of the electric machine are output, and it is preferable that the synchronous modulation includes multiple pulse modulation in which a plurality of pulses are output per cycle of the electric angle of the rotary electric machine.
パルス幅変調制御には、種々の異なる方式が存在する。第1インバータ(11)及び第2インバータ(12)を、それぞれ異なる方式のパルス幅変調制御により制御することで、回転電機(80)の動作条件に応じて、柔軟に2つのインバータ(10)を制御することができる。 There are various different methods for pulse width modulation control. By controlling the first inverter (11) and the second inverter (12) by pulse width modulation control of different methods, the two inverters (10) can be flexibly controlled according to the operating conditions of the rotary electric machine (80). Can be controlled.
また、前記第1インバータ(11)及び前記第2インバータ(12)の内、前記パルス幅変調制御が実行される場合に相対的に低いスイッチング周波数のパルスで制御される一方のインバータ(10)は、オフ状態とオン状態との間での遷移時のスイッチング損失が相対的に大きい第1スイッチング素子(31)を用いて構成され、前記パルス幅変調制御が実行される場合に相対的に高いスイッチング周波数のパルスで制御される他方のインバータ(10)は、前記スイッチング損失が相対的に小さい第2スイッチング素子(32)を用いて構成されていると好適である。 Further, of the first inverter (11) and the second inverter (12), one of the inverters (10) controlled by a pulse having a relatively low switching frequency when the pulse width modulation control is executed is , The first switching element (31), which has a relatively large switching loss at the time of transition between the off state and the on state, is used, and the switching is relatively high when the pulse width modulation control is executed. It is preferable that the other inverter (10) controlled by a pulse of frequency is configured by using the second switching element (32) having a relatively small switching loss.
複数の制御方式の内の1つの制御方式を第1制御方式とし、第1制御方式とは異なる1つの制御方式を第2制御方式として、第1インバータ(11)を第1制御方式で制御し、第2インバータ(12)を第2制御方式で制御する場合、例えば、第1インバータ(11)を矩形波制御により制御し、第2インバータ(12)をパルス幅変調制御により制御する場合がある。矩形波制御におけるパルスの周期と、パルス幅変調制御におけるパルスの周期とを比較すれば、電気角の1周期に同期して1周期のパルスが出力される矩形波制御のパルスに比べて、電気角の1周期において多数のパルスが出力されるパルス幅変調制御のパルスの方がパルスの周期が短くなり、スイッチング周波数が高くなる。この場合、第1インバータ(11)のスイッチング周波数に比べて、第2インバータ(12)のスイッチング周波数が高くなる。逆の場合、例えば、第1インバータ(11)をパルス幅変調制御により制御し、第2インバータ(12)を矩形波制御により制御する場合も、同様の考え方により、第2インバータ(12)のスイッチング周波数に比べて、第1インバータ(11)のスイッチング周波数が高くなる。 One of the plurality of control methods is controlled by the first control method, one control method different from the first control method is used as the second control method, and the first inverter (11) is controlled by the first control method. When the second inverter (12) is controlled by the second control method, for example, the first inverter (11) may be controlled by the square wave control, and the second inverter (12) may be controlled by the pulse width modulation control. .. Comparing the pulse cycle in the square wave control and the pulse cycle in the pulse width modulation control, the electric voltage is compared with the pulse in the square wave control in which one cycle of the pulse is output in synchronization with one cycle of the electric angle. The pulse width modulation control pulse, in which a large number of pulses are output in one cycle of the angle, has a shorter pulse cycle and a higher switching frequency. In this case, the switching frequency of the second inverter (12) is higher than the switching frequency of the first inverter (11). In the opposite case, for example, when the first inverter (11) is controlled by pulse width modulation control and the second inverter (12) is controlled by square wave control, the switching of the second inverter (12) is performed in the same manner. The switching frequency of the first inverter (11) is higher than the frequency.
回転電機(80)に高い出力(速い回転速度や高いトルク)が要求される場合には、パルス幅変調制御におけるスイッチング周波数も高くなる傾向がある。当然ながら、同じスイッチング損失であれば、スイッチング周波数が高くなるほど、損失の総量が多くなる。第1インバータ(11)と第2インバータ(12)とは、独立して制御されるため、それぞれの回路を独立して構成することができる。従って、スイッチング周波数が高くなる可能性のある側のインバータ(10)については、スイッチング損失が相対的に小さくなるような回路構成であると好適である。即ち、パルス幅変調制御が実行される場合に相対的に高いスイッチング周波数のパルスで制御される方のインバータ(10)が、第1スイッチング素子(31)に比べてスイッチング損失が相対的に小さい第2スイッチング素子(32)を用いて構成されることによって、損失を低減させることができる。 When a high output (high rotation speed and high torque) is required for the rotary electric machine (80), the switching frequency in the pulse width modulation control also tends to be high. Of course, for the same switching loss, the higher the switching frequency, the greater the total amount of loss. Since the first inverter (11) and the second inverter (12) are controlled independently, their respective circuits can be configured independently. Therefore, for the inverter (10) on the side where the switching frequency may be high, it is preferable to have a circuit configuration in which the switching loss is relatively small. That is, when the pulse width modulation control is executed, the inverter (10) controlled by the pulse having a relatively high switching frequency has a relatively small switching loss as compared with the first switching element (31). The loss can be reduced by being configured by using the two switching elements (32).
ここで、前記第1スイッチング素子(31)が、Si-IGBT又はSi-MOSFETであり、前記第2スイッチング素子(32)が、SiC-MOSFET、GaN-MOSFET、又はSiC-IGBTであると好適である。 Here, it is preferable that the first switching element (31) is a Si-IGBT or Si-PWM, and the second switching element (32) is a SiC-PWM, a GaN-PWM, or a SiC-IGBT. be.
例えば、炭化ケイ素(SiC)は、絶縁破壊電界強度がケイ素(Si)よりも高いことより、高耐圧パワーデバイスを構成する場合に、高い不純物濃度且つ薄い膜厚でドリフト層を形成することができる。高耐圧パワーデバイスの抵抗成分のほとんどはドリフト層の抵抗となるので、SiCデバイスは、Siデバイスに比べて単位面積当たりのオン抵抗が低くなる。つまり、SiCデバイスは、Siデバイスに比べてスイッチング損失を小さくすることができる。窒化ガリウム(GaN)を用いたデバイスも同様である。従って、第1スイッチング素子(31)がSiデバイスの場合に、SiCデバイスやGaNデバイスを第2スイッチング素子(32)とすることで、第1スイッチング素子(31)に比べてスイッチング損失が相対的に小さい第2スイッチング素子(32)を用いてインバータ(10)を構成することができる。 For example, since silicon carbide (SiC) has a higher dielectric breakdown electric field strength than silicon (Si), it is possible to form a drift layer with a high impurity concentration and a thin film thickness when forming a high withstand voltage power device. .. Since most of the resistance component of the high withstand voltage power device is the resistance of the drift layer, the on-resistance per unit area of the SiC device is lower than that of the Si device. That is, the SiC device can have a smaller switching loss than the Si device. The same applies to devices using gallium nitride (GaN). Therefore, when the first switching element (31) is a Si device, by using the SiC device or the GaN device as the second switching element (32), the switching loss is relatively smaller than that of the first switching element (31). The inverter (10) can be configured by using a small second switching element (32).
1 :回転電機制御装置
3 :スイッチング素子
3A :アーム
3H :上段側スイッチング素子
3L :下段側スイッチング素子
8 :ステータコイル(オープン巻線)
10 :インバータ
11 :第1インバータ
12 :第2インバータ
31 :第1スイッチング素子
32 :第2スイッチング素子
80 :回転電機
1: Rotating electric machine control device 3:
10: Inverter 11: First inverter 12: Second inverter 31: First switching element 32: Second switching element 80: Rotating electric machine
Claims (7)
前記第1インバータは、前記複数相のオープン巻線の一端側に接続されて直流と複数相の交流との間で電力を変換し、
前記第2インバータは、前記複数相のオープン巻線の他端側に接続されて直流と複数相の交流との間で電力を変換し、
前記第1インバータ及び前記第2インバータは、それぞれ交流1相分のアームが上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子との直列回路により構成され、
前記第1インバータ及び前記第2インバータの制御方式として、電気角の一周期においてパターンの異なる複数のパルスが出力されるパルス幅変調制御と、複数相全ての前記アームの前記上段側スイッチング素子をオン状態とする又は複数相全ての前記アームの前記下段側スイッチング素子をオン状態とするアクティブショートサーキット制御と、電気角の一周期において1つのパルスが出力される矩形波制御とを有すると共に、
前記第1インバータ及び前記第2インバータを、それぞれ独立した前記制御方式で制御可能であり、
前記第1インバータ及び前記第2インバータを制御する制御モードとして、
前記第1インバータの前記制御方式が前記パルス幅変調制御であり、前記第2インバータの前記制御方式が前記アクティブショートサーキット制御である第1制御モードと、
前記第1インバータの前記制御方式が前記パルス幅変調制御であり、前記第2インバータの前記制御方式が前記パルス幅変調制御である第2制御モードと、
前記第1インバータの前記制御方式が前記矩形波制御であり、前記第2インバータの前記制御方式が前記パルス幅変調制御である第3制御モードと、
前記第1インバータの前記制御方式が前記矩形波制御であり、前記第2インバータの前記制御方式が前記矩形波制御である第4制御モードと、
を備え、
前記第1インバータを制御する前記制御方式及び前記第2インバータを制御する前記制御方式は、それぞれ独立して変更可能であり、
実行中の前記制御モードにおいて、前記第1インバータの前記制御方式及び前記第2インバータの前記制御方式が同じ前記制御方式の場合には、前記第1インバータの前記制御方式及び前記第2インバータの前記制御方式が異なる前記制御方式となるように、前記第1インバータの前記制御方式と前記第2インバータの前記制御方式との何れか一方のみを変更することで異なる前記制御モードに変更し、
実行中の前記制御モードにおいて、前記第1インバータの前記制御方式及び前記第2インバータの前記制御方式が異なる前記制御方式の場合には、前記第1インバータの前記制御方式及び前記第2インバータの前記制御方式が、別の組み合わせの異なる前記制御方式又は同じ前記制御方式となるように、前記第1インバータの前記制御方式と前記第2インバータの前記制御方式との何れか一方のみを変更することで異なる前記制御モードに変更する回転電機制御装置。 A rotary electric machine control device that drives and controls a rotary electric machine having a plurality of phases of open windings that are independent of each other via a first inverter and a second inverter.
The first inverter is connected to one end side of the multi-phase open winding to convert power between direct current and multi-phase alternating current.
The second inverter is connected to the other end of the multi-phase open winding to convert power between direct current and multi-phase alternating current.
In the first inverter and the second inverter, the arm for one AC phase is composed of a series circuit of an upper switching element and a lower switching element, respectively.
As the control method of the first inverter and the second inverter, pulse width modulation control in which a plurality of pulses having different patterns are output in one cycle of the electric angle and the upper switching element of the arm of all the plurality of phases are turned on. It has an active short circuit control in which the lower switching element of the arm in a state or a plurality of phases is turned on, and a square wave control in which one pulse is output in one cycle of the electric angle.
The first inverter and the second inverter can be controlled by the independent control methods.
As a control mode for controlling the first inverter and the second inverter,
The first control mode in which the control method of the first inverter is the pulse width modulation control and the control method of the second inverter is the active short circuit control.
A second control mode in which the control method of the first inverter is the pulse width modulation control and the control method of the second inverter is the pulse width modulation control.
A third control mode in which the control method of the first inverter is the rectangular wave control and the control method of the second inverter is the pulse width modulation control.
A fourth control mode in which the control method of the first inverter is the square wave control and the control method of the second inverter is the square wave control.
Equipped with
The control method for controlling the first inverter and the control method for controlling the second inverter can be changed independently.
In the running control mode, when the control method of the first inverter and the control method of the second inverter are the same, the control method of the first inverter and the control method of the second inverter are described. By changing only one of the control method of the first inverter and the control method of the second inverter, the control mode is changed to a different control method so that the control method is different.
In the running control mode, when the control method of the first inverter and the control method of the second inverter are different from each other, the control method of the first inverter and the control method of the second inverter are described. By changing only one of the control method of the first inverter and the control method of the second inverter so that the control method becomes the control method having a different combination or the same control method. A rotary electric machine control device that changes to a different control mode .
前記第2制御モードは、さらに、
前記第1インバータの前記制御方式が前記連続パルス幅変調制御であり、前記第2インバータの前記制御方式が前記連続パルス幅変調制御である第1の第2制御モードと、
前記第1インバータの前記制御方式が前記不連続パルス幅変調制御であり、前記第2インバータの前記制御方式が前記連続パルス幅変調制御である第2の第2制御モードと、
を備え、
前記第3制御モードは、さらに、
前記第1インバータの前記制御方式が前記矩形波制御であり、前記第2インバータの前記制御方式が前記連続パルス幅変調制御である第1の第3制御モードと、
前記第1インバータの前記制御方式が前記矩形波制御であり、前記第2インバータの前記制御方式が前記不連続パルス幅変調制御である第2の第3制御モードと、
を備える請求項3又は4に記載の回転電機制御装置。 The pulse width modulation control includes continuous pulse width modulation control and discontinuous pulse width modulation control as a plurality of different control methods.
The second control mode further
The first second control mode in which the control method of the first inverter is the continuous pulse width modulation control and the control method of the second inverter is the continuous pulse width modulation control.
A second second control mode in which the control method of the first inverter is the discontinuous pulse width modulation control and the control method of the second inverter is the continuous pulse width modulation control.
Equipped with
The third control mode further
The first third control mode in which the control method of the first inverter is the rectangular wave control and the control method of the second inverter is the continuous pulse width modulation control.
A second third control mode in which the control method of the first inverter is the rectangular wave control and the control method of the second inverter is the discontinuous pulse width modulation control.
The rotary electric machine control device according to claim 3 or 4.
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